MPK6与IAA动态平衡共同调控NaCl抑制拟南芥根生长机制分析

Primary root elongation of Arabidopsis is inhibited by NaCl treatment. Both IAA dynamic equilibrium and MAPK cascades play important roles in salt stress signal transduction, but whether there exist signaling cross-talk between IAA and MAPK is unknown. Preliminary experiments showed that primary root elongation of mpk6, a loss-function mutant of MPK6 in Arabidopsis, was insensitive to NaCl treatment. The transcriptional expression of SOS1, a Na+/H+ antiporter, and CPK21 increased obviously in mpk6 primary roots. IAA accumulation, both in shoot and root, notably decreased in mpk6, gene expression of IAA biosynthesis in roots did not changed, but IAA-transporter genes, such as AUX1, PIN2, and PIN3, rose significantly, and both AUX1 and PIN2 could interact with MPK6 in yeast two-hybrid system. Taken together, these results indicate that MPK6 may regulate IAA dynamic equilibrium by interacting with IAA transporters, and finally modulates Arabidopsis root elongation. We intended to further study the interaction between MPK6 and IAA transporters in vitro and in vivo with technique of pull-down, BiFC, and CO-IP, and determine their functions in root elongation in response to salt stress.

NaCl抑制拟南芥根生长，IAA动态平衡和MAPK级联反应参与调控盐胁迫信号传递,但二者在NaCl抑制根生长中是否存在交叉调控未见报道。我们前期研究发现，拟南芥功能缺失型突变体mpk6根生长对NaCl敏感性明显低于WT；质膜Na+/H+转运体SOS1及CPK21在mpk6根中表达显著升高。同时发现，mpk6体内生长素积累明显减少, 根中生长素输入和输出载体AUX1, PIN2和PIN3表达明显上调，而生长素合成基因表达未发生明显变化。互作分析显示，MPK6能够与生长素输入AUX1和输出PIN2相互作用。综上所述，MPK6可能通过与生长素运输相关载体相互作用，控制盐胁迫下植物根中生长素动态平衡调节根生长。本项目拟综合利现代生物学技术，系统分析MPK6调节生长素运输，影响生长素在植物根中动态平衡，调节植物根生长应答盐胁迫的作用机制，将为深入阐明MPK6调控植物逆境胁迫应答机制奠定基础。

植物的根生长直接影响地上部分生长发育，如叶片伸展、茎伸长、花器官形成、叶绿素合成和光合作用，影响最终的生物量。土壤盐碱化是全世界农业生产面临的重要问题，盐胁迫条件直接影响作物主根生长和根系发育。生长素调节植物根生长和发育，生长素运输载体在其中起着重要作用。胁迫信号调节因子MPK6调控植物应答盐害等多种胁迫过程，并影响根生长，然而在盐胁迫下植物根生长的调控中，MPK6信号途径与生长素是否存在交叉调节是未知的。基于此，我们利用模式植物拟南芥相关突变体材料为研究对象，以NaCl处理模拟自然界土壤盐碱条件，开展研究工作。前期预实验结果表明MPK6功能缺失改变生长素运输载体和质膜Na+/H+转运体SOS1及CPK21的表达，而生长素合成基因YUCCA家族基因表达未发生明显变化，mpk6根中生长素积累明显减弱，MS培养基上根生长对比观察发现，NaCl处理下，mpk6和多数生长素运输载体功能缺失突变体主根生长长度明显大于对照材料WT，但aux1恰恰相反，pin2根长与WT无明显差异，而对照条件下，aux1和pin2根长明显短于WT，其他材料根长与WT和mpk6无明显区别，表明MPK6能够通过生长素改变盐胁迫下拟南芥主根生长。利用AUX1::YFP和PIN::GFP材料观察到，NaCl处理明显抑制所有生长素运输载体蛋白表达，MPK6改变NaCl对AUX1和PIN2的抑制程度。酵母双杂交和pull down实验证实在体外条件下MPK6能够与AUX1和PIN2直接相互作用，双分子荧光互补实验也证明植物细胞内MPK6与AUX1和PIN2的相互作用，mpk6aux1和mpk6pin2双突变幼苗在NaCl处理下倾向于mpk6的根生长表型，表明MPK6在二者上游起作用。最终我们的研究结果表明MPK6通过生长素运输载体改变根中生长素含量，进而调节盐胁迫下拟南芥的主根生长过程，为深入阐明盐胁迫下植物根生长机制和作物改良提供理论基础。